医用物理学 第十章 波动光学 第一讲 光的干涉 公开课课件
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第1章光的干涉ppt课件
菲涅耳公式
A s1
A
ssiin nii1 ii2
s1
1
2
A p1
A
ttggii1
i 2
i
p1
1
2
A s2
A
2ssinii2ncioi1s
s1
1
2
A Ap2sini2sii2cncooiis1si
p1
1
2
1
2
1.6 分振幅薄膜干涉〔一）——等倾干 涉
常见的分振幅干涉现象
一. 单色点光源引起的干涉
4. 干涉现象是波动的特性
5. 相干叠加与不相干叠加
1) 相干光源
相干光源:能引起干涉现象的光源。
2) 振动方向相同、频率相同的简谐振动的叠加
E 1A 1co ts (1)
E 2A 2co ts (2)
E E 1 E 2 A cot s)(
A 2A 1 2A 2 22A 1A 2co s
迈克耳孙干涉仪的主要优点是它光路 的两臂分的很开，便于在光路中安置被测 量的样品.而且两束相干光的光程差可由 移动一个反射镜来改变，调节十分容易， 测量结果可以精确到与波长相比拟。所以 应用广泛。
它可用于精密测定样品长度和媒质折 射率，研究光谱的精密结构等。现在迈克
r 2 • 条纹特点：Ｍ`处为暗纹，干涉条纹仅在Ｍ`一侧 0
• （无损则应为亮纹）
五. 维纳驻波实验：
光从光疏至光密,垂直入射时,反射光相对 入射光也会产生 “半波损失” 。
• 入射光在光疏介质(n1小)中前进, 遇到光密 介质(n2大)时, 在掠射或正射时,在反射过程 中产生半波损失. n1>n2时不产生半波损失. 折射光不会产生半波损失.
光的干涉优质课课件
d2
观察：条纹的间距与波长λ的关系？
亮
屏
L
亮
屏
L
③ 波长λ： λ越大，相邻的亮(暗)纹间距
X 越大
2、相邻明（暗）纹间的距离大小：
（1）影响因素：
① 双缝与屏间的距离 l :l 越大，相邻的亮(暗)纹间距 X 越大
X ② 双缝之间的距离d: d越小，相邻的亮(暗)纹间距 越大
③ 波长λ： λ越大，相邻的亮(暗)纹间距 （2）相邻亮纹间距计算公式：
• 两列波产生干涉的条件？
频率相同 相位差恒定
波的干涉图样
P
1
2
思考：
S = S1 P-S2 P
怎样计算出波的干涉现象中的加强或减弱的位置？
空间某点P到两波源的路程差（波程差）△s满足:
加强
减弱
s ( 2n 1) (n=0,1,2,3------) 2
s n
(n=0,1,2,3------)
13.3 光的干涉
光到底是什么？
对光本性的认识，人类经历了十分漫长的过程
微粒说
17世纪明确形成 了两大对立学说
波动说
惠
由于牛顿在物理 学界的威望使得 微粒说一直占上 风，并延续了 100多年。
牛 顿
更
斯
如果光是波的话，应该会有波的特性，波有些什么特性呢？ 能不能通过实验验证光具有这些特性呢？很多科学家终身为之探 究，希望能有所收获。
双缝 屏幕
杨氏双缝干涉实验介绍：
1、装置介绍 ①单缝的作用：是获得线光源， 有唯一的频率和振动情况 ② 双缝的作用：将一束光一 分为二，形成不但频率和振动 方向相同，而且总是相位相同 的相干光源 ③ 滤色片作用：获得单色光 2、装置特点： （1）双缝S1、S2与单缝S 的距离相等 （2）双缝很近小于 0.1mm
波动光学第1讲——光的干涉 杨氏双缝干涉.ppt
三棱镜 滤光片 激光器件
三. 光的相干性
光的干涉现象：
当两列相干光相遇时,在相遇空间出现明暗稳定 分布的现象
1、原子的发光机理
E
0
E 3
1.5eV
E 2
3.4eV
E 1
13.6eV
波列
E
E 3
波列长L =
E
c (E E )/h
2
2
1
E
1
● ●
●
●
0 1.5eV 3.4eV
d
(n 1)d 3.5
S1
r1
d 3.5
n 1
a
S2
r2 D
o
3.5 632 .8 10 9 1.4 1
5.5 10 -6 m
作 业 题：习题16.12、16.14、16.15； 预习内容：§16.4-16.5 复习内容： 本讲
2、相干光的获得
利用普通光源获得相干光的方法的基本原理是把由 光源同一点发出的光设法分成两部分，然后再使这两部分
叠加起来。
分波阵面法
在同一波面上两固定点光源，发出的光 产生干涉的方法为分波面法。如杨氏双 缝干涉实验（图1）
分振幅法
一束光线经过介质薄膜的反射与折射， 形成的两束光线产生干涉的方法为分振 幅法。如薄膜干涉（图2）。
讨论
以中央明条纹为中心、两侧对称分布的、 平行等距的明暗相间的直条纹
三．菲涅耳双棱镜干涉
P
S： 线光源 B： 障碍物
B
P： 屏
S
:M1、M2：平面镜
A： 镜交线 镜面夹角
S1M21
S2
A M2
O
r : S与A距离
三. 光的相干性
光的干涉现象：
当两列相干光相遇时,在相遇空间出现明暗稳定 分布的现象
1、原子的发光机理
E
0
E 3
1.5eV
E 2
3.4eV
E 1
13.6eV
波列
E
E 3
波列长L =
E
c (E E )/h
2
2
1
E
1
● ●
●
●
0 1.5eV 3.4eV
d
(n 1)d 3.5
S1
r1
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n 1
a
S2
r2 D
o
3.5 632 .8 10 9 1.4 1
5.5 10 -6 m
作 业 题：习题16.12、16.14、16.15； 预习内容：§16.4-16.5 复习内容： 本讲
2、相干光的获得
利用普通光源获得相干光的方法的基本原理是把由 光源同一点发出的光设法分成两部分，然后再使这两部分
叠加起来。
分波阵面法
在同一波面上两固定点光源，发出的光 产生干涉的方法为分波面法。如杨氏双 缝干涉实验（图1）
分振幅法
一束光线经过介质薄膜的反射与折射， 形成的两束光线产生干涉的方法为分振 幅法。如薄膜干涉（图2）。
讨论
以中央明条纹为中心、两侧对称分布的、 平行等距的明暗相间的直条纹
三．菲涅耳双棱镜干涉
P
S： 线光源 B： 障碍物
B
P： 屏
S
:M1、M2：平面镜
A： 镜交线 镜面夹角
S1M21
S2
A M2
O
r : S与A距离
光的干涉-PPT
光的干涉
薄膜干涉
让一束光经薄膜的两个表面反射后，形成的两束 反射光产生的干涉现象叫薄膜干涉．
点 击 画 面 观 看 动 画
光的干涉
薄膜干涉
1、在薄膜干涉中，前、后表面反射光的路程差由膜 的厚度决定，所以薄膜干涉中同一明条纹（暗条纹）应 出现在膜的厚度相等的地方．由于光波波长极短，所以 微薄膜干涉时，介质膜应足够薄，才能观察到干涉条 纹．2、用手紧压两块玻璃板看到彩色条纹，阳光下的肥 皂泡和水面飘浮油膜出现彩色等都是薄膜干涉．
第1节 光的干涉
光到底是什么？……………
17世纪明确形成 了两大对立学说
由于波动说没有 数学基础以及牛 顿的威望使得微 粒说一直占上风
牛顿
19世纪初证明了 波动说的正确性
惠更斯
微粒说
19世纪末光电效应现象使得 爱因斯坦在20世纪初提出了 光子说：光具有粒子性
波动说
这里的光子完全不同于牛顿所说的“微粒”
光的干涉
干涉现象是波动独有的特征，如果光真的 是一种波，就必然会观察到光的干涉现象．
光的干涉 光的干涉
1801年，英国物理学家托马斯·杨（1773~1829） 在实验室里成功的观察到了光的干涉．
双缝干涉
激
双
光
缝
束
屏上看到明暗相间的条纹 屏
光的干涉
S1 S2 d
双缝干涉
P2
P1
P
P
P1 P2
S1、S2
相干波源
P1S2－P1S1= d
光程差
P2S2－P2S1＞ d 距离屏幕的中心越远路程差越大
光的干涉
双缝干涉
1、两个独立的光源发出的光不是相干光，双缝干 涉的装置使一束光通过双缝后变为两束相干光，在光屏 上形成稳定的干涉条纹．
光的干涉(教学课件)(完整版)
双缝干涉亮（暗）纹间距的公式
l
d
X x
d
L
P1
S1
d
S2
l
1.相邻明（暗）纹间的距离大小的影响因素：
（1）波长λ: 波长越大，相邻的亮纹间距越大
（2）双缝之间的距离d: d越小，相邻的亮纹间距越大
（3）双缝与屏间的距离 l : L越大，相邻的亮纹间距越大
x
P
学习任务二、干涉条纹和光的波长之间的关系
后表面
学习任务三：薄 膜 干 涉
光程差为波长的整数倍，形成亮条纹。
光程差为半波长的奇数倍，形成暗条纹。
白光照射时是彩色条纹
学习任务三：薄 膜 干 涉
薄膜干涉的应用（一）——检查表面的平整程度
如果被检表面是平的，产生的干涉条纹就是平行的,如图（b）
所示；如果观察到的干涉条纹如图（c）所示，则表示被检测表面微
恰好是10号亮条纹。设直线S1P1的长度为r1,S2P1的长度为r2,则r2-r1等于 (
)
A.9.5λ B.10λ
C.10.5λ
D.20λ
答案:B
解析:由题设可知,P1点处是第10号亮条纹的位置,表明缝S1、S2到P1处的距离差r2-r1
为波长的整数倍,且刚好是10个波长,所以选项B正确。
考点三：薄膜干涉
亮（暗）纹间距的公式推导
如图所示，双缝间距为d，双缝到屏的距离为l。双缝S1、S2的连线的中垂线与屏的交点为P 。
对屏上与P距离为x的一点 P1，两缝与P1的距离P1 S1＝r1， P1 S2＝r2。
在线段P1 S2上作P1 M＝ P1 S1，则S2M＝r2－r1，
因d≪l，三角形S1S2M可看做直角三角形。
)
l
d
X x
d
L
P1
S1
d
S2
l
1.相邻明（暗）纹间的距离大小的影响因素：
（1）波长λ: 波长越大，相邻的亮纹间距越大
（2）双缝之间的距离d: d越小，相邻的亮纹间距越大
（3）双缝与屏间的距离 l : L越大，相邻的亮纹间距越大
x
P
学习任务二、干涉条纹和光的波长之间的关系
后表面
学习任务三：薄 膜 干 涉
光程差为波长的整数倍，形成亮条纹。
光程差为半波长的奇数倍，形成暗条纹。
白光照射时是彩色条纹
学习任务三：薄 膜 干 涉
薄膜干涉的应用（一）——检查表面的平整程度
如果被检表面是平的，产生的干涉条纹就是平行的,如图（b）
所示；如果观察到的干涉条纹如图（c）所示，则表示被检测表面微
恰好是10号亮条纹。设直线S1P1的长度为r1,S2P1的长度为r2,则r2-r1等于 (
)
A.9.5λ B.10λ
C.10.5λ
D.20λ
答案:B
解析:由题设可知,P1点处是第10号亮条纹的位置,表明缝S1、S2到P1处的距离差r2-r1
为波长的整数倍,且刚好是10个波长,所以选项B正确。
考点三：薄膜干涉
亮（暗）纹间距的公式推导
如图所示，双缝间距为d，双缝到屏的距离为l。双缝S1、S2的连线的中垂线与屏的交点为P 。
对屏上与P距离为x的一点 P1，两缝与P1的距离P1 S1＝r1， P1 S2＝r2。
在线段P1 S2上作P1 M＝ P1 S1，则S2M＝r2－r1，
因d≪l，三角形S1S2M可看做直角三角形。
)
《光的干涉》》课件
海森堡显微镜
原理和结构
海森堡显微镜是一种高级显微 镜，它使用一个非常小的探针 去观察对象，通过测量与对象 的相互作用来达到观察的目的。
相位问题
由于海森堡不确定原理，显微 镜对被观察物体的相位信息有 很强的依赖，所以需要精确的 探测仪器和适当的调节手段。
物理学中的应用
海森堡显微镜在物理学领域中 被广泛应用，尤其是在凝聚态 物理学中的成像、磁学和拓扑 半导体应用方面。
环实验和菲涅尔双缝实验。
3
实验原理
干涉实验是通过将光分为两束，在不同 的方向下交汇，使两束光发生叠加干涉， 以观察到干涉现象。
杨氏实验
原理和装置
杨氏实验是通过一个小孔将 光传递到分别放置于两个处 于同一直线上的小孔中，在 较远处形成干涉条纹。
常见干涉条纹图像
这些干涉条纹具有明暗相间 的特点，这取决于每个点的 光程差，因此可以用于测量 各种量，如光的波长。
菲涅尔双缝实验
1
实验原理
光从一个孔洞透过薄膜时会发生衍射，产生干涉模式。双缝实验是通过两个小孔 将光传递到同一位置，形成干涉条纹。
2
实验装置
光源、两缝板、透镜等构成，双缝板用于形成两个小的、相邻的光源，发出相同 频率的光线，透镜用于将双缝放置在同一位置。
3
光学中的应用
双缝实验是成像和测量的强大工具，常用于研究物质结构、电子结构、拓扑材料 和光学技术等领域。
实际生活应用
杨氏实验在物理、化学、生 物学中被广泛应用。
牛顿环实验
原理和装置
由凸透镜和平板玻璃组成，在两 者接触处点的 光程差来控制的。光程差越大， 干涉条纹间的半径越大。
工程实践中的应用
牛顿环实验在高精度光学制造、 垂直测量和微观镜头制造方面被 广泛应用。
光的干涉ppt课件
L
结论: 1.λ、θ一定时,相邻条纹等间距 2.λ一定时，劈尖θ角越小,ΔL越大,条纹越稀疏
3.θ一定时,λ越大,ΔL越大,条纹越稀疏
2、薄膜干涉的应用
①检验平面平整度
取一个透明的标准样板，放在待 检查的部件表面并在一端垫一薄 片，使样板的平面与被检查的平 面间形成一个楔形空气膜，用单 色光从上面照射，入射光从空气 层的上下表面反射出两列光形成 相干光，从反射光中就会看到干 涉条纹。
1.某同学利用如图所示实验观察光的干涉现象，其中A为单缝屏，B为双
缝屏，C为光屏。当让一束阳光照射A屏时，C屏上并没有出现干涉条纹,
移走B后,C上出现一窄亮斑。分析实验失败的原因可能是( )
B
A.单缝S太窄
B.单缝S太宽
C.S到S1和S2距离不相等
D.阳光不能作为光源
2.如图是双缝干涉实验装置示意图，使用波长为600 nm的橙色光照射
3.光的干涉
【复习回顾】 1.两列波发生干涉的条件？
①频率相同；②相位差恒定；③振动方向相同
2.两列波(步调相同）干涉时，振动加强的点和振动减弱的点如何判断？
振动始终加强点： 振动始终减弱点：
3.光能不能够发生干涉呢？为什么？
能，干涉是波特有的现象。
4.如果光波发生干涉，你可能看到一幅什么样的图景呢？
思考：条纹弯曲的地 方是凸起还是凹下？
检测面不平整
标准样板 劈尖空气薄层
待检部件
检测面平整
亮亮 亮
θ
d1 d2 d2
ab
检测面凹下
若检测面某处凹下，则对应的明条纹提前出现。
同理可推： 若检测面某处凸起，则对应的明条纹延后出现。
检测面凸起
生活中我们经常见到光的干涉现象:
波动光学-干涉1
13
0.4 0.76
0.4
0
三. 条纹的衬比度(对比度)
I max I min 衬比度V I max I min
I1 I 2
衬比度V差；
I1 I 2
衬比度 V 好；
(Imax=4I1，Imin=0——V=1.)
§3.3 其他分波面的干涉实验（自学）
14
§ 3.4 空间相干性（spatial coherence ）
2. 多普勒增宽：分子、原子的热运动引起. 3. 碰撞增宽：碰撞可增加原子能级宽度. 由于谱线频率的展宽，一般波列的长度 只有几厘米或几毫米。
6
三、光的相干性
两列光波相遇，只讨论电振动，E —光矢量.
设E1‖E2 1=2=
r1
r2
P: E1 E10 cos( t 10 r1 )
2
E 2 E 20 cos( t 20 r2 )
2
E=E1+E2 E E 0cos(t )
2 2 2 E0 E10 E 20 2 E10 E 20 cos
20 10
2
( r2 r1 )
7
P点光强： I I 1 I 2 2 I 1 I 2 cos 若S1,S2是完全独立，无规地发光， 没有固定位相差（10， 20是无规则变化的 ） 即它们是非相干光源，则
例如:普通灯泡发的光;火焰;电弧;太阳光等等
------自发辐射
3
2.激光光源 全同光子源自完全一样（频率，相位，振动，传播方向） 可以实现光放大;单色性好;相干性好 ------受激辐射 例如:氦氖激光器;红宝石激光器; 半导体激光器等等.
0.4 0.76
0.4
0
三. 条纹的衬比度(对比度)
I max I min 衬比度V I max I min
I1 I 2
衬比度V差；
I1 I 2
衬比度 V 好；
(Imax=4I1，Imin=0——V=1.)
§3.3 其他分波面的干涉实验（自学）
14
§ 3.4 空间相干性（spatial coherence ）
2. 多普勒增宽：分子、原子的热运动引起. 3. 碰撞增宽：碰撞可增加原子能级宽度. 由于谱线频率的展宽，一般波列的长度 只有几厘米或几毫米。
6
三、光的相干性
两列光波相遇，只讨论电振动，E —光矢量.
设E1‖E2 1=2=
r1
r2
P: E1 E10 cos( t 10 r1 )
2
E 2 E 20 cos( t 20 r2 )
2
E=E1+E2 E E 0cos(t )
2 2 2 E0 E10 E 20 2 E10 E 20 cos
20 10
2
( r2 r1 )
7
P点光强： I I 1 I 2 2 I 1 I 2 cos 若S1,S2是完全独立，无规地发光， 没有固定位相差（10， 20是无规则变化的 ） 即它们是非相干光源，则
例如:普通灯泡发的光;火焰;电弧;太阳光等等
------自发辐射
3
2.激光光源 全同光子源自完全一样（频率，相位，振动，传播方向） 可以实现光放大;单色性好;相干性好 ------受激辐射 例如:氦氖激光器;红宝石激光器; 半导体激光器等等.
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太赫兹
“THz 空隙”
红外线 光学
可 见
紫外线
Xγ 射射
光
线线
原子核
光本质上是种电磁波，可见光波长为400~760nm之间。 光的干涉、衍射现象证明了光的波动性，而偏振现象
则证明了光的横波性质。 f : 7.51014 ~ 4.31014 Hz
400nm 紫
可见光的范围
760nm 红
红 760nm~630nm 橙 630nm~590nm 黄 590nm~570nm 绿 570nm~500nm 青 500nm~460nm 蓝 460nm~430nm 紫 430nm~400nm
来自两个光源或同一光源的两部分的光,不满足相 干条件,叠加时不产生干涉现象.
·
自发辐射
独立
·
（不同原子同一时刻发的光）
独立（同一原子不同时刻发的光）
两个独立的普通光源不是相干光源
2、相干光的获得方法
原则: 将同一波列 的光分成两束，经 不同路经后相遇， 实现干涉。
二、光程与光程差:
相位差在分析光的干涉时十分重要，为便于计算 光通过不同媒质时的相位差，引入“光程”的概念。
相干条件：
1
P
频率相同(same frequency)
振动方向相同
(same direction of vibration)
2
相位差恒定
(constant phase difference)
❖ 普通光源的发光机理: 物质发光的基本单元——分子、原子等从具有较高 能量的激发态向具有较低能量的状态(基态或低激发 态)跃迁时,发射的一个电磁波波列(wave train).
光学篇（Optics)
波动光学(Wave Optics) 几何光学(Geometrical Optics) X射线(X-ray)
第十章 波动光学
▪ 光的干涉 ▪ 光的衍射 ▪ *光的偏振
教学大纲要求 1.理解光的相干条件及获得相干光的基本原理和
方法。 2.掌握杨氏双缝干涉实验的基本装置和实验规律
B
B
F
·
C
C
S
b
·
c
S
·
焦平面
焦平面
A
·
B
F
C
使用透镜不会产生附加光程差，物点到象点各光线 之间的光程差为零——等光程性（aplanatism）。
三、杨氏双缝干涉（double-slit interference）
托马斯·杨 (T. Young, 1773-1829)英国物理 学家兼医生
❖ 相干光的产生: 分波阵面法
r2
o
S2 r
D
➢干涉明条纹的位置
P
dsin d x k
S1
k
D 0,1,2,3
S
d o
r1
r2
x
o
干涉相长
S2 r
D
k=0时，x=0，δ=0，为零级明纹或中央明条纹
明纹中心
xk
及干涉条纹位置的计算。 3.确切理解光程的概念，掌握光程和光程差的计
算方法，熟悉光程差和相位差之间的关系， 4.理解半波损失概念，在什么情况下有半波损失。
5.掌握薄膜干涉的规律及干涉条纹位置的计 算。掌握薄膜干涉在实际中的应用。
6.了解光的衍射现象，了解菲涅耳衍射与夫 琅禾费衍射的区别。
7.了解惠更斯-菲涅耳原理及其在光衍射现 象中的应用。
光是人类以及各种生物生活中不可或缺的要素 人类对光本质的认识：
牛顿的微粒说（Particle theory） ==>惠更斯的波动说（Wave theory） ==>麦克斯韦电磁波说（Electromagnetic wave theory） ==>爱因斯坦的光量子说（Quantum light theory）
来计算.
例1、如图，在S2P 间插入折射率为n、厚度为d 的
媒质。求：光由S1、S2 到 P 的相位差 。
解：
2 L2-来自L1 r1S1
n r2
S2
d
·p
2
r2
-
d
nd
-
r1
2
r2
-
r1
n
- 1d
若r1
r2 ,则
2（n - 1)d ,
而不是Δ 0
❖ 通过薄透镜的近轴光线具有等光程性.
A
a
a
质的折射率n的乘积。
光程：L = (ni ri )
n1 n2 …… nm
……
r1 r2
rm
2.光程差（optical path difference）： n2r2 - n1r1
3.相位差和光程差的关系：
❖意义：把光在2介质r 中通 过n 的几何 路 程2按nr相位2变 化 相
同折合到真空中的路程——可以统一用真空中的波长
波列
激 发
En
态
跃迁
波列长 L = Δt c=3m
基态（transition）
自发辐射(spontaneous emission）
原子的发光跃迁
跃迁过程的持续时间约为 10-8 s
❖ 普通光源发光特点
原子发光是断续的,每次发光形成一长度有限的波 列,各原子或同一原子各次发出的波列,其频率和振 动方向可能不同；
S1
S d o
r1 r2
S2 r
D
A P
x
o
B
实验中,D>>d,一般 D 约1 m ,而d 约 10-4 m, S1 和 S2 是同相波源.
2.干涉规律
➢ 光程差的计算
设实验在真空（或空气）中进行，则由S1和S2所
发出的光波到P点的光程差为：
r
r2
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光在介质中传播时，光振动的相位沿传播方向逐 点落后。光传播一个波长的距离，相位变化2。 1.光 程 (optical path)
介质中：路程r，波速u，波长，折射率n。
真空中：路程L，波速c，波长 。时间t，频率f。
u c ， u c L=ct=nu·t=nr
n
f nf n
光程: L=nr,光波在介质中所经历的几何路程r与该介
§10-1 光的干涉
❖ 光的干涉(interference of light)：满足一 定条件的两束光重叠时,在叠加区域形成稳 定、不均匀的光强分布的现象.
光的干涉在历史上曾 作为光的波动性的重 要例证.
彩色的肥皂泡
一、光的相干性：
光源 （light source）
任何发射光波的物体称为光源。 光是电磁波。 可见光是能引起人的视觉的那部分电磁波。 1、相干光(coherent light) ：相干光源发出的光。
8.了解单缝衍射的实验装置，掌握半波带法 在分析单缝衍射中的应用。了解圆孔衍射和艾里 斑。
9.理解瑞利判据，能定性分析衍射对光学 仪器分辨能力的影响。
10.理解光栅衍射条纹的成因和特点，掌握 光栅方程和明暗条纹形成条件及它们的应用。
Electromagnetic Spectrum
无线电波 微波 电学